室內6.05GHz和2.45GHz多輸入多輸出無線信道特性對比分析

張繼良 汪 洋 黃曉敏 苗廣冬 張乃通

（1.哈爾濱工業大學深圳研究生院，廣東 深圳518055；2.哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

引 言

隨著3G移動通信進入商用階段，能夠實現高速數據傳輸的下一代無線移動通信系統成為了國內外研究者共同的研究重點.作為下一代無線移動通信系統的重要支撐技術，具有高頻譜利用率和高可靠性的多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術［1-2］已經被第三代移動通信合作計劃（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）［3］、WINNER工作組［4-5］和IEEE802.11［6］工作組等納入通信標準.

高速數據傳輸需要更多的頻譜資源［7］.然而，目前6GHz以下的低頻段頻帶擁擠、業務負荷大.為了滿足低干擾和高帶寬的需求，將MIMO通信系統向高頻段擴展將會成為未來移動通信的重要研究方向之一.

電磁波工作頻率不同，MIMO信道特性將存在較大差異，這突出體現在MIMO信道的傳輸損耗、時延擴展和空間相關等傳播特性的變化.這些特性對基于MIMO技術的室內移動通信產生決定性的影響.因此，在研究高頻段無線通信體制之前，需要通過實際測量對高低頻段的差異進行深入分析.高速數據傳輸業務往往發生在室內，因此我們主要關注室內高頻寬帶MIMO無線移動通信系統.

迄今為止，不同頻段的信道特性對比分析大多基于單入單出移動通信系統（Single-Input Single-Output，SISO）.AT＆T貝爾實驗室的 Vinko Erceg采用射線跟蹤和幾何繞射理論對街角環境下900 MHz、2GHz和6GHz的傳輸損耗特性進行建模并用實際測量進行了驗證［8］.日本NTT DoCoMo的Yasuhiro Oda等在陸地移動通信的背景下測量并對比了 日 本 市 區 場 景 下 457.2MHz、2.2GHz、4.7 GHz、8.45GHz和15GHz等頻段的傳輸損耗特性和時延擴展特性［9］.加拿大通信工程研究中心的R.J.C.Bultitude等對比了市中心環境下1.9GHz和5.8 GHz無線信道的傳輸損耗和時延擴展［10］，并利用對比結果分析了B3G擴頻移動通信的誤碼特性［11］.瑞典Delft University of Technology的Gerard J.M.Janssen等人測量和對比了室內環境下2.4 GHz、4.75GHz和11.5GHz頻帶無線信道的傳輸損耗特性和試驗擴展特性，并給出了三個頻帶下的誤碼率對比分析［12］.

針對信道的空間特性，當前已有研究人員對不同建筑結構室內環境MIMO無線信道進行了測量和特性分析.R.Stridh測量了辦公環境下5.8GHz頻段MIMO信道的空間相關特性，并分析了該環境下的信道容量［13］.H.T.Nguye測量了辦公環境2.14GHz非視距窄帶MIMO信道的空間相關特性和時間相關特性［14］.K.Yu測量了辦公環境和實驗室環境5.2GHz非視距MIMO信道空間相關特性并建立了相應場景下的克羅內克信道仿真模型［15］.J.M.Molina-García-Pardo在2.45GHz頻段測量了地下室環境下多種場景MIMO無線信道的傳輸損耗、時延擴展和空間相關等特性［16］.然而，由于電磁參數存在差異，不同測量環境下的MIMO信道特性沒有可比性，無法進行不同頻段信道特性對比.迄今為止，在同一室內場景下對不同頻段MIMO無線信道特性進行對比分析尚不多見.

本文采用基于網絡分析儀搭建的MIMO無線信道測量平臺，在典型室內場景下分別測量2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz頻段 MIMO無線信道的傳輸損耗、時延擴展、空間相關等信道特性.在測量的基礎上，通過對比分析兩個頻段信道特性的差異，闡明高頻段無線空時信道特性為系統設計帶來的新問題.

1 信道特性分析

1.1 傳輸損耗

傳輸損耗特性反映了電波傳播過程中的信號功率衰減情況，其直接決定傳輸距離和網絡節點覆蓋性能.MIMO無線信道的傳輸損耗定義為

在自由空間下，傳輸損耗為

式中：d為收發天線之間的距離，m；f為發射頻率，MHz.為了明確6.05GHz頻段與2.45GHz頻段的差異，引入傳輸損耗差值的概念，其計算方法為

式中：LP，6.05GHz為6.05GHz傳輸損耗；LP，2.45GHz為2.45GHz傳輸損耗.在自由空間，2.45GHz和6.05GHz傳輸損耗差值為

式（4）表明在僅有直射徑的前提下，高頻段的傳輸損耗比低頻段大7.85dB.然而，在實際場景下，不僅有直射徑存在，還存在折射徑、反射徑、繞射徑和散射分量等.這使得高低頻的傳輸損耗差不再是一個固定的數值.

1.2 時延擴展

無線電波傳播的多徑效應使得信道沖激響應存在時延擴展，其特性由時延功率譜（Power Delay Profile，PDP）描述.PDP定義為無線信道多徑成分在時延域上的分布［4，18］為

式中h（i，j，τ）為第i根接收天線與第j根發射天線之間的信道沖擊響應.該參數由頻率響應經過離散傅里葉反變換（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）獲得

式中w（f）為布萊克曼窗函數，用以消除頻域截斷帶來的影響［19］.

均方根時延擴展（Root Mean Squared-Delay Spread，，RMS-DS）是用于描述信道時延擴展程度的參數，其定義為

受散射程度和天線間距的限制，MIMO天線陣列的天線之間存在一定的相關性，這種相關特性可以用空間間隔相關系數描述.相關系數的大小直接影響MIMO無線通信系統的信道容量和分集特性.

根據克羅內克相關信道模型［15，21］，空間間隔相關矩定義為

歸一化，可得空間間隔相關系數：

2 信道測量方案

2.1 測量平臺

基于矢量網絡分析儀搭建了支持2.45GHz和6.05GHz兩個頻帶，帶寬為100MHz的寬帶 MIMO信道測量平臺.在100MHz的帶寬內，平臺對每個頻率傳遞函數采樣400次，頻域采樣間隔為250kHz.平臺的時延域分辨率為10ns，可測最大時延為4μs.平臺結構和各部分器件照片如圖1所示.表1給出了測量平臺的參數.

表1 測量平臺參數

矢量網絡分析儀采用掃頻的方式測量端口間的幅度響應和相位響應［17］.矢量網絡分析儀發射的掃頻信號經功率放大器放大后通過發射天線發射，再經無線信道被接收天線所接收、經低噪放放大之后送入矢量網絡分析儀，從而獲得信道的頻率響應.兩個頻帶下的功率放大器和低噪聲放大器增益均為60dB.發射天線陣列和接收天線陣列為均勻線陣，陣元間距為0.5λ（2.45GHz時陣元間距6cm，6.05 GHz時陣元間距2.5cm），兩個頻帶下的天線增益均為2.5dBi.平臺收發兩端均配備4根相同的全向天線，天線通過單刀四擲射頻開關進行切換.計算機直接控制射頻開關實現4×4收發天線之間的自動切換.此外計算機還負責協調測量過程并存儲測量數據.網絡分析儀和放大器之間均采用長度25m的低損耗穩相電纜進行連接.

2.2 測量場景

測量工作在哈爾濱工業大學深圳研究生院A棟4樓開展.圖2（a）為測量環境平面圖.Tx為發射天線的位置，位于狹長走廊的西側.M1和M2為接收天線測量點分布范圍，M1為走廊環境中60個接收天線測量點，M2為教室環境中90個接收天線測量點.走廊長約為35m，寬約為3m，墻和地板為混凝土結構，天花板為金屬板.測量過程中無人員走動.

在室內覆蓋場景中，接入點往往被放置于走廊環境［4］.因此本實驗針對兩種場景：

場景A：走廊-走廊視距（Line-of-Sight，LOS）環境

當接收天線位于M1時，信號經歷的是走廊-走廊LOS傳播，測量鏈路共66條.如圖2（b）所示.

場景 B：走廊-實驗室（Non-Line-of-Sight，NLOS）環境

當接收天線位于M2時，信號經歷的是走廊-教室NLOS傳播，測量鏈路共84條.如圖2（c）所示.

對于這兩種場景下的每一條鏈路，都利用前文介紹的信道測量平臺分別進行2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz的4×4MIMO信道測量.在測量過程中兩個頻帶的測量環境和測量位置完全相同.

3 測量結果分析

3.1 傳輸損耗

通過對測量數據進行最小二乘線性擬合，得到兩個場景下2.4～2.5GHz和6.0～6.1GHz傳輸損耗分別為：

傳輸損耗差值為：

傳輸損耗和傳輸損耗差值分別如圖3、圖4所示.由圖可知，ΔLP為正值，即高頻段的傳輸損耗大于低頻段.在LOS場景下，由于墻體對6.05GHz電波的反射系數比2.45GHz的大導致波導效應增強，ΔLP隨距離的增大而降低.這導致在室內LOS場景下，高頻段無線通信系統的遠近效應弱于低頻段，降低了對通信系統動態范圍的要求.在NLOS場景下，高頻電磁波在有耗介質中穿透能力減弱，墻等遮擋體對高頻電磁波的損耗大于低頻電磁波，ΔLP比LOS場景大10dB左右，即6.05GHz頻段的同頻干擾比2.45 GHz小約10dB.這表明房間對高頻段無線電波具有更好的隔離作用，在頻譜資源有限的情況下，高頻段移動通信系統在室內環境下具有更高的頻譜利用率.

因此，在引進高頻段進行移動網絡覆蓋時，需要在同樣發射功率的前提下降低約60%的小區覆蓋范圍.小區覆蓋范圍降低使得每個高頻段室內接入點能夠服務更少的用戶，進而提高移動通信系統的頻譜利用率.

3.2 時延擴展

根據式（8）可得RMS-DS概率分布函數，如圖5所示.在LOS場景下6.05GHz頻段RMS-DS的平均值為13.1ns，2.45GHz頻段 RMS-DS的平均值為11.9ns.在NLOS場景下6.05GHz頻段RMSDS的平均值為24.9ns，2.45GHz頻段 RMS-DS的平均值為22.5ns.根據ITU-R P.527-3［20］報告給出的2.45GHz和6.05GHz頻段下干燥泥土的介電常數和電導率，6.05GHz頻段的無線電波反射系數比2.45GHz大0.1左右.大反射系數導致6.05GHz反射徑相對直達徑的強度高于2.45 GHz.6.05GHz的時延擴展比2.45GHz高10%～11%.

在碼間干擾和信道估計精度相同的前提下，6.05GHz高頻段無線通信的碼速率和導頻間隔需要比傳統的2.45GHz頻段降低10%.

圖5 均方根時延擴展的概率分布函數

3.3 空間相關

根據式（9）可得6.05GHz和2.45GHz頻段MIMO信道的空間間隔相關系數平均值，如圖6所示.由圖可知：在LOS場景下，6.05GHz高頻段空間間隔相關系數在天線間距為0.5λ、λ和1.5λ時均高于2.45GHz.表明在采用高頻段通信系統進行室內LOS覆蓋時，需要增加天線的間距以降低天線之間的相關性來取得更大的信道容量或更高的分集增益.值得注意的是，6.05GHz頻段波長約為5cm，2.45GHz頻段波長約為12cm.由測量結果可知，間距5cm（6.05GHz頻段下的λ）的6.05GHz頻段空間間隔相關系數比間距6cm（2.45GHz頻段下的0.5λ）的2.45GHz頻段空間間隔相關系數略小.因此，在LOS場景下，6.05GHz能夠采用更小的天線間距提供更高的信道容量和分集增益.

表2 6.0～6.1GHz與2.4～2.5GHz信道參數對比

與LOS場景不同，在NLOS場景下，6.05GHz高頻段空間相關系數與2.45GHz差別小于0.05.由于6.05GHz頻段的波長小于2.45GHz，因此，室內NLOS覆蓋場景下，6.05GHz高頻通信系統提供與2.45GHz頻段相同的信道容量和分集增益時，天線間距僅為2.45GHz頻段的42%.

綜上，為方便在數值上比較兩個頻段的信道參數，6.0～6.1GHz與2.4～2.5GHz信道傳輸損耗參數γPL、LP，0、時延擴展參數τRMS在不同測量位置的平均值以及空間相關系數ρRx和ρTx在不同測量位置的平均值和分別歸納于表2.除方便比較以外，表2中的信道參數還可為高頻段MIMO系統設計和性能仿真評估提供參考.

4 結 論

基于網絡分析儀搭建支持2.45GHz和6.05GHz兩個頻段的4×4MIMO信道測量平臺.基于該測量平臺在典型室內場景下進行了高低頻段MIMO無線信道測量和對比分析.分析結果表明：相對2.45GHz頻段而言，6.05GHz頻段同頻干擾低，在房間之間有較高的隔離度，更適于室內熱點單房間覆蓋.相比2.45GHz頻段，6.05GHz頻段無線通信需要降低碼速率和導頻間隔.在相同的天線間距下，6.05GHz高頻段能夠提供更高的信道容量和分集增益，更適合采用MIMO技術.這些結果為高頻段無線通信領域的深入研究奠定了基礎.

［1］FOSCHINI G J，GANS M J.On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas［J］.Wireless Personal Communications，1998，6（3）：311-335.

［2］TELATAR I E.Capacity of multi-antenna gaussian channel［J］.European Transactions on Telecommunications，1995，10（6）：585-595.

［3］3GPP.Spatial channel model for multiple input multiple output（MIMO）simulations.3GPP-3GPP2Spatial Channel Model Ad-hoc Group［R］.3GPP TR 25.996.，2003.

［4］WINNER.Final report on link and system level channel models［R］.IST-WINNER D5.4，2005.

［5］WINNER.WINNER II Channel Models［R］.ISTWINNER II D1.1.2，2007.

［6］IEEE.TGn Channel Models［R］.IEEE 802.11-03/940r4，2004.

［7］SHANNON C E.A mathematical theory of communication［J］.Bell System Technical Journal，1948，27：379-423，623-656.

［8］ERCEG V，RUSTAKO A J，ROMAN R S.Diffraction around corners and its effects on the microcell coverage area in urban and suburban environments at 900Mhz［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，1995，43（3）：762-766.

［9］ODA Y，TSUCHIHASHI R，TSUNEKAWA K，et al.Measured path loss and multipath propagation characteristics in UHF and microwave frequency bands for urban mobile communications［C］// Vehicular Technology Conference.Rhodes，may 6-9，2001，1：337-341.

［10］BULTITUDE R J C，SCHENK T C W，OP DEN KAMP N A A，et al.A propagation-measurement-based evaluation of channel characteristics and models pertinent to the expansion of mobile radio systems to frequencies beyond 2GHz［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2007，56（2）：382-388.

［11］BULTITUDE R J C，HAN M，ADNANI N V，et al.Comparison of expected performance on B3Gspread spectrum mobile radio links at 1.9and 5.8GHz based on propagation measurements［C］//Vehicular Technology Conference.Montreal，September 25-28，2006：1-4.

［12］JANSSEN G J M，STIGTER P A，PRASAD R.Wideband indoor channel measurements and BER analysis of frequency selective multipath channels at 2.4，4.75，and 11.5GHz［J］.IEEE Transactions on Communications，1996，44（10）：1272-1288.

［13］STRIDH R，OTTERSTEN B.Spatial characterization of indoor radio channel measurements at 5GHz［C］//IEEE Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop.Cambridge，March 16-17，2000：58-62.

［14］NGUYEN H T，ANDERSEN J B，PEDERSEN G F.A stochastic model of spatial-temporally correlated narrowband MIMO channel based on indoor measurement［C］//IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2004，3：1827-1831.

［15］YU K，BENGTSSON M，OTTERSTEN B，et al.Modeling of wide-band MIMO radio channels based on NLoS indoor measurements［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2003，53（3）：655-665.

［16］MOLINA-GARCIA-PARDO J M，RODRíGUEZ J V，JUAN-LLáCER L.Polarized indoor MIMO channel measurements at 2.45GHz［J］.IEEE Transactions on Antennas and propagation，2008，56（12）：3818-3828.

［17］王 煊，李正夷，杜正偉，等.室內環境中人手對 MIMO信道容量影響的實測研究［J］.電波科學學報，2010，25（3）：436-440.WANG Xuan，LI Zhengyi，DU Zhengwei，et al.User's hand effect on MIMO channel capacity in indoor environment［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（3）：436-440.（in Chinese）

［18］BELLO P A.Characterization of randomly time-variant linear channels［J］.IEEE Transactions on Communications Systems，1963，11：360-393.

［19］MOLINA-GARCIA-PARDO J M，RODRíGUEZ J V，JUAN-LLáCER L.Wide-band measurements and characterization at 2.1GHz while entering in a small tunnel［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2004，53（6）：1794-1799.

［20］ITU.Electrical characteristic of the surface of earth［R］.ITU-R P.527-303，1992.

［21］YU K，BENGTSSON M，OTTERSTEN B，et al.Second order statistics of NLOS indoor MIMO channels based on 5.2GHz measurements［C］//IEEE Global Telecommunications Conference.San Antonio，2001，1：156-160.